باید گفت: که فنرها، در زندگی روزمره ما انسان‌ها کاربردهای زیادی دارند. برای مثال وسایل ورزشی که از آن‌ها برای قوی شدن عضلات استفاده می‌شود و یا در صنایع مختلفی چون: صنعت خودرو سازی و … .
حال قوانینی وجود دارد حاکم بر فنرها که اولین بار، فیزیکدان انگلیسی رابرت هوک رفتار فنرها را مورد بررسی قرار داد و فنرها توانستند قانون هوک را به خود اختصاص دهند که این قانون رابطه مستقیم با حد کشسانی فنر دارد و در ادامه قرار است به شرح هر کدام بپردازیم.
حد کشسانی یعنی چه؟ و چه رابطهای با قانون هوک دارد؟
بهتر است ابتدا با واژه کشسانی آشنا شویم. حد کشسانی در فیزیک را حداکثر میزان تغییر شکل جسم کشسان، بدون اینکه تغییر شکل دائمی در آن پدید آید، گویند. به زبان ساده‌تر، قابلیت یک جامد در بازگشتن به شکل اولیه خود پس از کشیده شدن یا هر تغییر شکل دیگر.
برای مثال فنری را در نظر بگیرید که پس از کشیده شدن و به سرعت رها شدن، به شکل اولیه خود باز می‌گردد. حال اگر بخواهیم آن را بیش از حد بکشیم، ممکن است به شکل اولیه خود باز نگردد و یا حتی پاره شود. با نزدیک شدن به حد شکستن، فنر کشسانی خود را از دست داده و تغییر شکل دائمی می‌یابد. این حد از فنر را حد کشسانی می‌نامند.
احتمالا برایتان سوال پیش آمده که قانون هوک چه ارتباطی با این موضوع دارد؟ پاسخش آسان است. قانون هوک بیان می‌کند که نیروی اعمال شده به یک ماده با مقدار کشیده شدن آن متناسب است. یعنی اگر نیروی کششی وارده بر یک فنر را دو یا سه برابر کنیم، که دو یا سه برابر کشیده خواهد شد؛ بنابراین این قانون وقتی ماده به حد کشسانی رسیده کاربرد خود را از دست می‌دهد.
برای کسب اطلاعات درباره نحوه تولید و قیمت فنر کششی کلیک کنید.
آشنایی با قانون هوک
قانون هوک در فیزیک، مکانیک و دانش مواد کشسانی (الاستیسیته)، تقریبی است. نشان دهندهٔ آن که تغییر طول یک ماده با بار وارده بر آن رابطهٔ خطی دارد. بسیاری از مواد تا زمانی که نیرو از حد کشسانی آن‌ها کمتر باشد با تقریب خوبی از این قانون پیروی می‌کنند.
انحراف از قانون هوک، با افزایش میزان تغییر شکل زیاد می‌شود. به طوریکه در تغییرشکل‌‌های زیاد، با خارج شدن ماده از دامنه کشسان خطی، این قانون کاربرد خود را از دست می‌دهد. موادی که متناسب با قانون هوک هستند، مواد کشسان خطی یا «مواد هوکی» نام دارند. ساده شدهٔ قانون هوک: کرنش با تنش رابطهٔ مستقیم دارد: F=-KX
در این قانون x جابجایی فنر فشرده یا کشیده شده از نقطهٔ تعادل آن، یکای x در دستگاه SI متر است. F نیروی بازگردانندهٔ وارده از سوی فنر که با جابجایی انتهای فنر مقاومت می‌کند (نیروی مقاومت فنر) است. k ثابت فنر است که در دستگاه SI یکای آن نیوتن بر متر یا کیلوگرم بر مجذور ثانیه است. آیا می‌دانید چه عواملی در سختی فنر تاثیر دارند؟
وقتی چنین رابطهای برای ماده‌ای برقرار باشد، می‌توان گفت که آن ماده رفتار خطی دارد و اگر نتایج آن را بر روی یک نمودار نمایش دهیم، می‌بینیم که نتایج به صورت یک خط راست بدست آمده‌‌اند.
علامت منفی در سمت راست رابطهٔ بالا به این دلیل است که نیروی بازگردانندهٔ فنر و جابجایی فنر همواره در جهت مخالف یکدیگر عمل می‌کنند. مثلاً اگر فنر به سمت راست افزایش طول پیدا کند، نیروی بازگردانندهٔ آن در سوی مخالف و به سمت چپ یعنی در جهت جمع شدن فنر وارد می‌شود.
اگر فنری کشیده شود و به حالت اول برگردد در آن چه تغییری ایجاد می شود؟
وقتی یک فنر را می‌کشیم و سپس رها می‌کنیم، چندین تغییر در آن رخ می‌دهد:
تغییرات فیزیکی:
- تغییر شکل: در هنگام کشیده شدن، طول فنر افزایش می‌یابد و فاصله بین حلقه‌های آن بیشتر می‌شود. با رها کردن فنر، این تغییر شکل برعکس شده و فنر به طول اولیه خود باز می‌گردد.
- انرژی پتانسیل: هنگامی که فنر کشیده می‌شود، انرژی مکانیکی وارد شده به آن به صورت انرژی پتانسیل کشسانی در فنر ذخیره می‌شود. با رها کردن فنر، این انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی تبدیل شده و باعث حرکت فنر می‌شود.
- نیروی کشسانی: در هنگام کشیده شدن فنر، نیروی کشسانی آن به تدریج افزایش می‌یابد تا با نیرویی که به فنر وارد می‌شود برابر شود. با رها کردن فنر، این نیرو جهت خود را تغییر داده و باعث بازگشت فنر به حالت اولیه می‌شود.
تغییرات در سطح اتمی:
- تغییر در فاصله بین اتم‌ها: در هنگام کشیده شدن فنر، فاصله بین اتم‌های ماده سازنده فنر افزایش می‌یابد. با رها کردن فنر، این فاصله به حالت اولیه خود باز می‌گردد.
- تغییر در انرژی پتانسیل بین اتمی: انرژی پتانسیل بین اتم‌های فنر در هنگام کشیده شدن افزایش می‌یابد. با رها کردن فنر، این انرژی کاهش می‌یابد.
نکته مهم: اگر فنر بیش از حد کشیده شود، ممکن است به صورت دائمی تغییر شکل دهد و به حالت اولیه خود باز نگردد. این پدیده به عنوان “تغییر شکل پلاستیکی” شناخته می‌شود.
به طور خلاصه:
- تغییر شکل موقت: فنر کشیده شده و سپس به حالت اولیه خود باز می‌گردد.
- تبدیل انرژی: انرژی مکانیکی به انرژی پتانسیل و سپس به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود.
- نیروی کشسانی: جهت نیروی کشسانی تغییر می‌کند.
- تغییرات در سطح اتمی: فاصله بین اتم‌ها و انرژی پتانسیل بین اتمی تغییر می‌کنند.
